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    细数“快递小哥”的十八般武艺

    2017年4月21日 来源: 装备科技

    我国首艘货运飞船“天舟一号”实现多项技术创新
    细数“快递小哥”的十八般武艺

    2017年4月20日,我国第一艘货运飞船“天舟一号”搭载着各类物资成功飞上太空,中华民族镌刻在内心深处的“中国梦”随着航天事业的大步向前而变得更加绚丽多彩。“天舟一号”此次进入太空,将与“天宫二号”进行交会对接,开展推进剂补加等相关试验。因为担负物资运送的任务,所以“天舟一号”又被大家亲切地称为“快递小哥”。此次任务是空间实验室飞行任务的收官之战,标志着我国载人航天工程“三步走战略”的第二步圆满结束。

    首次在轨补加、首次快速对接、首次自主绕飞

    “快递小哥”遨游太空施展武艺,当然少不了亮几手绝活。

    “绝活”之一就是推进剂补加,这是“天舟一号”货运飞船最大的亮点,也被称为“太空加油”。这是国内首次“太空加油”,将填补中国航天领域的空白,实现我国空间推进领域的又一次技术跨越。

    有人说空间交会对接,就好比在茫茫大海中穿针引线。此次“天舟一号”需要进行液体推进剂补加,精度要求提高了一倍。中国航天科技集团公司八院主任设计师邱华勇说:“因为要进行液体补加,对接精度大幅度提升。为此,必须通过导向板、机构和导向销套三个措施进行校正,以此保证精准插合。”

    在本次飞行任务中,“快递小哥”施展的另一“绝活”是快速交会对接。快速交会对接技术核心在“快”,从发射到具备交会对接条件时间很短,从以天计算缩短到以小时计算。此前从发射到交会对接,飞船需绕地球30多圈,而采用快速交会对接后仅需几圈。也就是说,从入轨到对接成功仅需要几个小时,且以飞船的自主制导和控制为主,基本上相当于乘坐高铁从北京到上海的时间。

    空间站建成后重量将达到百吨级,当有飞船造访进行交会对接时,不可能为了迎合飞船而大幅度调整姿态。因而,“快递小哥”的又一“绝活”闪亮登场——全自主绕飞。绕飞是一种高难度的太空飞行,需要飞行器进行多次变轨和姿态机动来完成。与神舟十号载人飞船在地面人员支持下进行的绕飞不同,此次货运飞船绕飞全程均是船上软件自主规划完成,即当绕飞指令发出,飞船上制导导航与控制系统的计算机便开始自主规划轨迹,自主进行变轨控制,自动进行姿态机动,不需要地面人员干预。不仅减轻了地面保障人员的工作强度,更可以实现测控区外的自主绕飞。

    能源系统升级、计算系统升级、雷达系统升级

    “快递小哥”一出世,就引起广泛关注,这可是我国目前体积最大、质量最重的航天器,最大装载重量达13.5吨,它的个头比“天宫二号”和“神舟”系列飞船都要大。这个庞然大物是如何做到在天地间往返自如的呢?这就要先说说它的能源系统。

    据中国航天科技集团公司五院货运飞船系统总体主任设计师于磊介绍,“天舟一号”货运飞船的能源系统设计,最大的进步是基于货运飞船的任务目标和自身特性所量身打造的全新体系——高压全分散配电体系。传统航天器多采用集中式配电,存在损耗大、环节多等问题,无法充分发挥高压母线的优势。于磊团队提出的高压全分散配电技术方案,仿佛为“天舟一号”打通了“奇经八脉”,不仅提高了系统可靠性,而且有效地发挥了高压母线的优势。

    与“神舟”系列飞船和“天宫二号”空间实验室相比,货运飞船不仅增加了载重量,各系统的复杂度、参数类型和数量也成倍增长,对仪表显示系统的功能要求更高。中国航天科技集团公司研制的“图形化操作界面”综合显示单元成功解决了这一难题,航天员可以通过触摸进行操作,减轻了操作负担,确保在空间环境中有效地开展工作。

    “快递小哥”上门服务,没有绝佳的“眼力”肯定是不行的。此次“天舟一号”货运飞船与“天宫二号”空间实验室交会对接,就依靠该院研制的交会对接微波雷达练就了“火眼金睛”。

    最多发动机、最大载货比、最新型材料

    如果说“神舟”系列载人飞船是天地间往返的小客车,那么“天舟”系列货运飞船就是天地间的大卡车。众所周知,客车与卡车之间的最大区别就是动力系统,而“神舟”系列载人飞船与“天舟一号”货运飞船之间,动力系统也有很大的区别。

    据中国航天科技集团公司六院院长刘志让介绍,在此次飞行任务中,他们为“天舟一号”货运飞船提供了4种共36台不同推力的发动机,数量比天宫系列目标飞行器增加了近一倍,使得“天舟一号”成为我国发动机数量最多的航天器。

    “天舟一号”运载量大,使发动机工作时间和运转次数成倍增加,十分考验发动机的可靠性。36台发动机如何配合才能令飞船“俯仰有度,动静自如”?研制团队对发动机的技术状态进行了适应性改进,在不改变性能的前提下,降低了发动机工作温度。

    货运飞船的职责就是要尽可能多地运送货物,而在动力一定的情况下,飞船越轻,就意味着载重量越大。这也就是货运飞船的一个主要指标——载货比,我们的“快递小哥”在上岗前,为了追求最大载货比,进行了一番“减肥塑形”。科技人员经过多次试验验证,把“快递小哥”的连接框设计成镂空形式,将非受力部分的重量去除掉。最后,每个连接框的重量都降低到原来的50%左右,而受力强度一点没下降。

    据“天舟一号”货运飞船总设计师白明生介绍,飞船运载能力是根据空间站的规模来设计的,“天舟一号”的载货比高,将来还可以进一步优化到0.48,该数值将超越欧洲、日本等国家的现役货运飞船,处于国际领先水平。

    “快递小哥”不仅要准时送达,还要保证物资安全。为此,“天舟一号”飞船搭载了一个低温锁柜。低温锁柜对于隔热保温材料的性能有着极其严格的指标要求,既要绝热,又要轻薄,这是传统隔热材料不能实现的。科技人员大胆创新,将现有的气凝胶材料“真空化”,研制出了基于气凝胶材料的“真空绝热板”,使得飞船隔热性能提高了近一倍。

    试验证明,这个“真空绝热板”圆满达到了“天舟一号”低温锁柜严苛的技术要求,最终被制作成了“天舟一号”低温锁柜的保护外衣。

    为航天员送去生活物资

    载人空间站升空后,航天员要在空间站长期驻守,吃穿用乃至呼吸所需的物资,都要由货运飞船及时送到,空间站维持正确轨道所需的燃料也靠货运飞船送。要把载有大批物资的货运飞船按时送入太空,就必须有“力气”大、可靠性高的运载火箭。长征七号运载火箭就能满足这些需求。

    由航天科技集团公司第一研究院研制的“长七”火箭是我国新一代中型运载火箭。论“力气”,“长七”火箭近地轨道运载能力达到13.5吨,比采用传统燃料的运载火箭多出一半以上。这主要得益于绿色、高能的液氧、煤油燃料和新一代大推力液氧煤油发动机。其中,芯一级和助推器上的6台液氧煤油发动机可提供超过700吨的起飞推力。论“靠谱”,“长七”火箭的设计可靠性国内领先、世界一流。它能在8级大风中转场,在雨中发射,不管“风吹雨打”,都能送载荷精准入轨。送货运飞船的火箭“靠谱”,既能保证航天员不会因“饿肚子”而提前返回,又能保证空间站不会因缺燃料而偏离轨道。

    “长七”火箭副总设计师程堂明介绍,作为我国未来的主力火箭,“长七”火箭将执行许多重大发射任务,目前已明确的任务是以发射“天舟”货运飞船为主。

    坐着“沙发”前往发射场

    火箭从研制地到发射场通常有3 种运输方式——公路、铁路、海运,哪种方式更“舒适”呢?日前,记者采访了长征七号运载火箭总体设计人员王旭。他形象地说:“海运是目前火箭运输方式中最理想的选择。火箭走公路、铁路,就像坐‘硬板床’;乘船走海运,就好似坐‘沙发’。”

    运输方式是否平稳,有一个重要的考量项目——过载环境。“长七”火箭合练箭作为海运中“第一个吃螃蟹”的火箭,工作人员在它的芯一级、芯二级、助推器、整流罩上,及它乘坐的船上、装载的集装箱上,布设了30 个测量点,详细记录了起航、抛锚、起锚、靠港,以及多种海况下的过载环境数据和振动环境数据。

    “真没想到,‘长七’火箭合练箭从天津港运抵文昌清澜港的过载环境数据不仅优于我们的设计值,而且仅为铁路运输过载环境数据的三分之一、公路运输的二分之一。”王旭介绍说,“过载数据值越低,火箭的运输环境就越平稳,对火箭结构的影响就越小,这有利于火箭安全抵达目的地。”

    火箭转场时可抵八级风

    海南文昌发射场有“浅层风”,给长征七号运载火箭垂直转场带来挑战。“长七”火箭副总设计师程堂明告诉记者:“为了提升抗风能力,我们给‘长七’火箭装上了‘防风减载装置’。即使遇到8级大风的天气,依旧可以转场,它的抗风能力超过现役火箭。”

    一般情况下,陆地上最大的风力为9级,气象学上8级以上的风便达到“大风”级别。每年8月至11月,海南文昌发射场会受到强热带风暴和台风的影响,而且由于临海,风速随着距地面高度的增加而越来越大。

    程堂明介绍:“目前,国内主要的4个发射场中除文昌发射场外,其它的发射场都在内陆,风速随距地面高度的变化不大。”但文昌发射场不同,距地面五六十米高处的风速要远高于地表风速。“地面感受到的是微风,火箭一级的地方可能就是‘大风’了。我们将这种随距地面高度而变化的风称为‘浅层风’。”程堂明说,这给“长七”火箭垂直转场增加了难度。

    “长七”火箭在垂直转场时,若“浅层风”较大,对火箭结构强度是一个很大的考验。考虑到这一因素后,研制人员对火箭局部结构进行了适当加强,并为火箭设计了一个“防风减载装置”。

    这套装置采用可伸展的桁架结构,一端固定在活动发射平台的脐带塔上,展开以后另一端与火箭二级发动机机架接头对接,这样在垂直转场过程中将火箭与脐带塔连接起来,能够显著降低火箭受到的风载。

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